2015.5.9表面工程学一、预处理

1表面预处理工艺（关键因素）指标:（1）表面清洁度（2）表面粗糙度2机械性清理：滚光和刷光、机械磨光和抛光、喷砂或喷丸3.脱脂：化学脱脂、有机溶剂脱脂溶剂、水剂脱脂、电化学脱脂1.表面淬火层的组织：淬硬层、过渡区及心部组织2.表面淬火原理：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。

分类：依据热源不同，分为感应加热淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火。

3.表面淬火技术与常规淬火技术的区别：1）提高加热速度将使钢的相变点温度A c3与Ac cm大幅度提高，但使A c1温度升高有限；快速加热可使A晶粒及其中亚结构细化；2）快速加热条件下渗碳体难以充分溶解，形成的奥氏体成分也相当不均匀（不均匀A包括未溶碳化物、高碳偏聚区和贫碳区，淬火后形成高碳和低碳马氏体区域，造成显微硬度的微观不均匀。

因此需要预先热处理（调质、正火、球化退火处理））5.影响淬硬层性能的影响因素：（1）材料成分（通过影响材料的淬硬性和淬透性来影响激光淬硬层深度与硬度；随钢中含碳量增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也越高）（2）激光工艺参数（3）表面预处理状态（两个方法：a表面组织准备：通过调质处理等手段使钢铁材料表面具有较细的表面组织，以保证激光淬火时组织与性能的均匀、稳定; b表面“黑化”处理：提高钢铁表面对激光束的吸收率。

黑化方法：磷化法，氧化法，喷刷涂料法，镀膜法等。

7.受控喷丸技术原理：又称喷丸强化技术，利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使材料在再结晶温度下产生弹塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。

1.热扩渗技术的突出特点：渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很高，渗层不易脱落或剥落。

2.热扩渗层形成的基本条件（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物；（2）欲渗元素与基材必须直接接触；（3）3被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度；（4）该反应必须满足热力学条件（靠化学反应提供活性原子）置换反应 A+BCl2(气)→AlCl2 (气) +[B] 还原反应 BCl2(气) +H2→2HCl(气)+[B]分解反应 BCl2(气) →Cl2 (气) +[B]3.渗层形成机理(1)产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面;(活性原子提供方式（热激活能法和化学反应法）)(2)渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度；（3）渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚。

《表⾯⼯程学》复习资料《表⾯⼯程学》复习资料1、表⾯⼯程技术:指为了满⾜特定得⼯程需求,就是材料或零部件表⾯具有特殊得成分,结构与性能得化学,物理⽅法。

2、表⾯⼯程技术分类:(1)表⾯改性技术(2)表⾯微细加⼯技术(3)表⾯加⼯三维成型技术(4)表⾯合成新材料技术。

表⾯:⼀般将固相与⽓相之间得分界⾯称为表⾯。

界⾯:把固相之间得分界⾯称为界⾯3、典型得固相表⾯:(1)理想表⾯,(2)洁净表⾯与清洁表⾯(3)机械加⼯表⾯(4)⼀般表⾯。

4、典型固体界⾯:界⾯指两个块体相之间得过渡区①空间尺度——原⼦间⼒作⽤影响范围⼤⼩②状态——材料与环境条件特征。

(1)基于固相晶粒尺⼨与微观结构差异形成得界⾯(⽐尔⽐层:离表⾯约5nm得区域内,点阵发⽣强烈畸变,形成得厚度约1~100nm得晶粒极微⼩得微晶层。

它具有粘性液体膜似得⾮晶态外观,不仅能将表⾯覆盖得很平滑,⽽且能流⼊裂缝或划痕等表⾯不规则处;下⾯为塑性流变层)(2)基于固相组织或晶体结构差异形成得界⾯(3)基于固相宏观或成分差异得界⾯。

宏观成分差异形成得界⾯:冶⾦结合界⾯、扩散结合界⾯、外延⽣长界⾯、化学键结合界⾯、分⼦键结合界⾯、机械结合界⾯。

5、吸附对材料⼒学性能得影响——莱宾杰效应:许多情况下,由于环境介质得作⽤,材料得强度,塑性,耐性,耐磨性等⼒学性能⼤⼤降低,产程原因:(1)不可逆转物理过程与物理化学过程引起得效应(2)可逆物理过程与可逆物理化学过程引起得效应,这些过程下降,固体表⾯⾃由能,并不同程度地改变材料本⾝得⼒学性能。

这种因环境介质得影响及表⾯⾃由能减少导致固体强度,塑性降低得现象,称为莱宾杰尔效应。

特征:(1)环境介质得影响有很明显得化学特征。

(2)只要很少得表⾯活性物质就可以产⽣莱宾杰尔效应。

(3)表⾯活性熔融物得作⽤⼗分迅速(4)表⾯活性物质得影响可逆(5)莱宾杰尔效应得产⽣需要拉应⼒与表⾯活性物质同时起作⽤。

本质:就是⾦属原⼦对活性介质得吸附,使表⾯原⼦得不饱与键得到补偿,使表⾯能降低,改变表⾯原⼦间得相互作⽤,使⾦属表⾯得强度降低。

表面预处理表面预处理是为了得到良好的涂层，由于工件在加工制造、搬运、保存期间会有油脂、氧化物锈皮、灰尘、锈及腐蚀产物等在表面上，若不除将直接影响到涂膜的性能，外观等，所以前处理在涂装工艺中占有极为重要的地位。

表面前处理为材料表面处理的必经阶段，其是表面处理的基础工序。

表面前处理对整个镀层或涂层的质量、使用寿命、外观均有重要影响。

表面预处理的工艺流程依次为：除油、水洗、除锈、水洗、表调、水洗、磷化（活化）、热水洗、冷水洗、（烘干）。

1、除油：主要有矿物油、润滑油、动植物油脂，比如操作与搬运过程中用手摸等油脂使绝大部分涂层或镀层的附着力严重下降，并影响它的干燥，也使涂层或镀层的硬度和光泽度降低。

脱脂除油主要采用碱性脱脂剂或水性脱脂剂，以浸泡或喷淋的方式，在一定的温度和时间下进行的。

碱性脱脂剂常由NaOH、等混合而成，利用皂化作用使工件表面的油脂脱离材料表面的过程。

NaHCO32、水洗：以清水或蒸馏水漂洗，以免前一工序中的溶液污染到下一工序，而且清水一般采用流动方式清洗工件。

3、除锈：工件表面的氧化物锈皮及腐蚀产物会在涂层或镀层下进一步发生腐蚀蔓延，使涂层或镀层失去屏蔽性和不透湿性。

在高温下能导致涂层和金属的早期破坏，松散的锈皮附着力差，会与涂层一起脱落。

而降低涂层或镀层的附着力。

除锈的方式很多，如碱液法、酸液法、机械法、电解法等。

常见为碱液法或酸液法，采用化学溶液利用化学反应使工件表面的锈皮溶解于除锈液中。

对于电镀而言，其对表面的要求较为严格，故而在溶液除锈后会采用电解除油的方式对工件的表面进行进一步的处理来达到要求。

4、表调（中和）：以酸（或碱）溶液除去除锈工序中表面多余的碱（或酸），调整酸碱度以适应后续工序的进行。

5、磷化：磷化是一种化学与电化学反应形成的磷酸盐化学转化膜的过程。

所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。

磷化的目的主要是给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属的腐蚀和用于涂漆前的打底层，以提高漆膜的附着力与防腐蚀能力，并在金属冷加工工艺中起减摩润滑的作用。

表面预处理概述表面预处理就是利用某种工艺方法和手段，使工件的表面得到清理，或者使表面变得粗糙，以保证表面涂（镀）层与金属基体的有效结合。

有时，人们又把表面预处理称为表面调整与净化。

将采取各种加工方式使制品（或基材）表面达到一定表面粗糙度的过程称为表面精整。

所有表面处理技术在工艺实施之前都必须对材料进行预处理，以便提高表面覆层的质量以及覆层与基材的结合强度。

大量实践证明，预处理是表面处理工程技术能否成功实施的关键因素之一。

图3-1 加工制作后表面沾有油污的零部件1.表面预处理的目的和内容表面预处理的好坏，不仅在很大程度上决定了各类覆盖层与基体的结合强度，往往还影响这些表面生长层的质量，如结晶粗细、致密度、组织缺陷、外观色泽及平整性等。

干净的待加工表面也是保证其工艺过程顺利进行和得到高质量改性层的基础条件。

金属原始表面一般覆盖着氧化层、吸附层及普通沾污层，如图3-2所示。

表面预处理的主要内容就是选择适当的方法去除覆盖物，达到与各种表面技术要求相符的清洁度。

（1）对工件进行镀前预处理的目的对工件进行镀前预处理的目的主要有以下几个方面：1）使工件表面几何形状满足涂镀层的要求，如表面整平或拉毛。

2）使工件表面清洁度满足涂镀层的要求，如除油等。

图3-2 金属原始表面示意图1—普通沾污层 2—吸附层 3—氧化层 4—贝氏层 5—变形层 6—基体3）除去化学覆盖层或化学吸附层，包括除锈、脱漆、活化，这样才能获得良好的镀层。

（2）对工件进行镀前预处理的内容镀前预处理包括：整平、除油、浸蚀、表整四个部分。

1）整平主要是除去工件上的毛刺、结瘤、锈层、氧化皮、灰渣及固体颗粒等，使工件表面平整、光滑。

整平主要采用机械方法，如磨光、机械抛光、滚光、喷砂等；化学抛光和电化学抛光用于除去微观不平。

2）除油又称脱脂。

表面油污是影响金属表面处理质量的重要因素，油污的存在会使表面涂层与基体的结合力下降，甚至使涂层起皮、脱落。

除去工件表面油污（包括油、脂、手汗及其他污物）使工件表面清洁的方法有化学除油、电化学除油、有机溶剂除油等。

一、碱液清洗1、普通碱液清洗2、电解碱液清洗二、溶剂清洗1、擦洗用棉纱或旧布蘸溶剂擦除工件表面油污。

该方法简单，不需要专用设备，操作方便；但劳动强度大、劳动保护差，脱脂效果不好，只适用于生产条件较差、脱脂要求不高的场合。

2、浸洗将工件沉浸于有机溶剂中脱脂。

该方法设备简单，操作方便，室温下施工，适合于中小型工件的脱脂清洗。

为了去干净工件表面油污，可将工件依次浸人两个或三个以上的有机溶剂槽中，并用毛刷刷洗。

最后一个槽中应盛有不断更换的完全洁净的溶剂。

为了加快脱脂速度和提高清洗效果，还可采用溶剂超声波清洗法。

3、超声波清洗超声波是指频率高于16kHz的高频声波，常用频率范围为16~24kHz。

当它照射到液体上时，瞬间交替产生正、负压力并反复进行。

当产生负压时，溶液中生成真空空穴，溶剂的蒸汽或溶解于溶剂(液)中的气体进入其中形成气泡，气泡形成的下一瞬间，由于正压力的压缩作用，气泡被破坏而分散，这种形成空穴的现象称气蚀，而气泡破裂的一瞬间所产生的冲击波，形成冲刷工件表面油污的冲击力。

气泡破裂时，公众号：KP8661028瞬间的温度极高，压力极大。

超声波的脱脂作用，主要是利用冲击波对油污层的冲刷破坏，以及由于气蚀引起的激烈的局部搅拌。

同时，超声波反射引起的声压对液体也有搅拌作用。

此外，超声波在液体中还具有加速溶解和乳化作用等。

因此，对于那些采用常规清洗法难以达到清洗要求，以及几何形状比较复杂的零件的清洗，超声波清洗效果会更好。

4、蒸汽清洗溶剂蒸汽清洗可归纳为四种类型：单一蒸汽清洗、喷淋蒸汽清洗、热熔剂蒸汽清洗、沸腾熔剂+热熔剂蒸汽清洗。

1)单一蒸汽清洗：工件单纯在蒸汽区经受蒸汽冷凝作用清洗。

该方法适用于清洗形状简单、重、断面厚的工件和黏附力较小的油污。

2)喷淋蒸汽清洗：工件在蒸汽区中受溶剂喷淋后，停留至蒸汽在其表面不再冷凝为止。

该方法适用于清洗形状较复杂，如带沟槽和不通孔的工件，能清洗黏附力较强的油污。

3)热溶剂蒸汽清洗：工件通过蒸汽区进人热溶剂中浸洗后，升至蒸汽区停留至蒸汽在其表面不再冷凝为止。

表面预处理工艺目前生产中常用的预处理工艺通常分为以下几个步骤：1.表面整平表面整平是指通过机械或化学方法去除材料表面的毛刺、锈蚀、划痕、焊瘤、焊缝凸起、砂眼、氧化皮等宏观缺陷，提高材料表面平整度的过程。

表面整平除保障表面质量外，还起到装饰的作用。

2.脱脂脱脂是指用化学或电化学方法除去表面油脂。

表面油脂是影响金属表面处理质量的重要因素，它会使表面涂层与基体的结合力下降，甚至使涂层起皮或脱落。

3.除锈（酸洗）除锈是指用化学或电化学方法除去金属表面的氧化皮或锈迹。

常用的除锈方法有机械法、化学法和电化学法。

4.浸蚀用电化学方法露出基材表面的过程称为活化。

活化的实质就是弱浸蚀，其目的就是露出金属的结晶组织，以保证涂层与基体之间结合牢固。

基体预处理在表面处理中具有非常重要的地位和作用，具体表现如下：1）为涂层加工做准备。

例如，大型钢结构热喷涂锌和铝涂层制备时对预处理的要求是：喷砂处理、干燥，要求无灰尘、无油污、无氧化皮、无锈迹。

化学镀镍涂层制备时对预处理的要求是：除油—除锈—水洗—闪镀，基体表面无油污、无锈迹、无铅、无锌等污染即可。

2）基体预处理能增加涂层的功能（防腐蚀、防磨损及特殊功能）。

例如，对有磷化和无磷化处理的同一涂层进行盐雾试验，结果大约相差一倍。

可见，除油、磷化等预处理对涂层的防锈能力起非常关键的作用。

3）增强涂层与基体的附着力。

例如，某些涂料涂层及热喷涂层，基体的结合以机械力为主，这就要求预处理不仅要除油、除锈，还要表面粗化。

表面粗化的目的有两个：一是增大涂层与基体的接触面积；二是增加涂层材料与基体表面的胶合作用，以加强涂层与基体的附着力。

一、表面整平表面整平的方法有磨光、抛光、滚光及振动磨光、刷光、塑料整平和成批光饰。

1.磨光磨光工具包括磨光轮和磨光带。

磨光轮或磨光带上粘有磨粒，利用粘有钢砂或氧化铝等磨料的磨轮在高速旋转下以10～30m/s的速度磨削金属表面，除去表面的划痕、毛刺、焊缝、砂眼、氧化皮、腐蚀痕和锈斑等宏观缺陷，提高表面的平整程度。

第三章表面工程技术的预处理与作业环境关键因素: 表面工程预处理,指标:1表面清洁度 2表面粗糙度第一节：表面预处理工艺机械性清理: 1滚光和刷光2机械磨光和抛光3喷砂或喷丸脱脂：化学脱脂，有机溶剂脱脂，水剂脱脂，电化学脱脂。

第四章第一节表面淬火技术的原理与特点1.2、表面淬火技术与常规淬火技术的区别1）提高加热速度将使钢的相变点温度A c3与Ac cm大幅度提高，但使A c1温度升高有限；快速加热可使A晶粒及其中亚结构细化；2）快速加热条件下渗碳体难以充分溶解，形成的奥氏体成分也相当不均匀。

不均匀A包括未溶碳化物、高碳偏聚区和贫碳区，淬火后形成高碳和低碳马氏体区域，造成显微硬度的微观不均匀。

因此需要预先热处理（调质、正火、球化退火处理）1.3、表面淬火层的组织与性能硬度分布图P51表面淬火层的组织:工件加热以后的金相组织与加热温度沿加热温度沿试样横截面分布有关，一般分为淬硬层、过渡区及心部组织.性能:硬度比普通淬火高2~5HRC耐磨性比普通淬火好2.2、感应加热淬火工艺流程1预先调质处理目的：为感应加热淬火作好组织准备和使工件在整个截面上具备良好的力学性能。

2确定加热温度与加热方式存在一最佳的温度范围，在此范围内加热所得工件硬度与强度比普通淬火高2~3HRC；同时加热方式和连续加热方式。

3根据工件要求选择比功率比功率越大，加热速度快，工件表面温度高；不足，加热深度层增加，过渡区增大；大小由淬硬层深度和淬火区温度确定4设计感应加热器5确定冷却方式与冷却介质喷射冷却法；可调节介质的喷射压力，温度与时间等参数来控制冷速6制定回火工艺参数回火温度略低于常规工艺淬火时的温度，得到淬硬层保持有较高的残余应力。

局限性1与普通淬火相比，设备的成本较高； 2感应加热时，容易使零件的尖角棱边处过热，即导致所谓“尖角效应”； 3对于一些形状复杂的零件而言，感应加热淬火难以保证所有的淬火面都能够获得均匀的表面淬火层。

第四节激光淬火与电子束淬火技术4.1、激光淬火技术分类：CO2激光淬火和YAG激光淬火影响因素：1材料成分1）通过影响材料的淬硬性和淬透性来影响激光淬硬层深度与硬度；2随钢中含碳量增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也越高。